海 洋

(中鐵一院甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 引 言

巖溶又稱喀斯特(Karst)，指地表中可溶性巖石(主要是石灰?guī)r)受水的溶解而發(fā)生溶蝕、沉淀、崩塌、陷落、堆積等現(xiàn)象形成各種特殊的地貌，如石林、溶溝、漏斗，以及溶洞等，如圖1所示。其中，可溶性巖石有3類：①碳酸鹽類巖石(石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等)；②硫酸鹽類巖石(石膏、硬石膏和芒硝)；③鹵鹽類巖石(鉀、鈉、鎂鹽巖石等)[1]。

我國南方地區(qū)，灰?guī)r廣泛分布，巖溶較發(fā)育。在這些地區(qū)，基巖面埋深較淺，城市建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)常采用嵌巖樁的基礎(chǔ)形式。由于嵌巖樁樁端的承載力很大，對持力層的完整性要求很高，因此，通常采用“一樁一孔”或“一樁多孔”的方式對工程場地進行地質(zhì)勘察[2]。雖然，巖溶發(fā)育在宏觀上具有規(guī)律性，但是，在樁位范圍的局部區(qū)域，巖溶形態(tài)、延伸及分布缺乏規(guī)律[3]。若按這種方式進行勘察、設(shè)計及施工，常常會產(chǎn)生樁基半邊嵌巖的現(xiàn)象。同時，勘察成本成倍增長，影響工期，且難以完全查明整個樁位的巖溶發(fā)育情況。

管波探測法具有易解釋、精度高、異常明顯、分辨率強、工期短、成本低等優(yōu)點，在鉆孔中利用“管波”這種特殊的彈性波作為工作媒介，探測孔旁一定范圍內(nèi)的土洞、溶洞、軟弱夾層等不良地質(zhì)體的存在及分布情況，可以為建筑物的樁基礎(chǔ)設(shè)計和施工提供準確的地質(zhì)資料[4-7]。

2 基本原理

2.1 管波

當相互接觸的兩種介質(zhì)一種是流體，另一種是固體時，流體的振動會在兩種介質(zhì)的分界面附近產(chǎn)生沿界面?zhèn)鞑サ慕缑娌?，稱做廣義的瑞利波(Rayleigh Waves)。在液體填充的孔內(nèi)及孔壁上，廣義的瑞利波沿孔的軸向傳播，稱作管波(Tube Waves)。常見的管波有兩種類型：斯通萊波(Stoneley Waves)和準瑞利波(或稱偽瑞利波)。管波探測法使用的管波實際為斯通萊波(Stoneley Waves)[8,9]。

2.2 管波探測法的基本原理

管波具有以下幾個特征：

第一，孔中流體的任何振動，幾乎都能產(chǎn)生管波，管波的初始頻率和管波源的頻率相同；

第二，管波的能量由直達管波和反射管波的波幅確定；

第三，斯通萊波沿鉆孔的軸向傳播，孔液中能量衰減慢、頻率變化小。經(jīng)歷一定距離的傳播，管波能量依然很強，其能量在井壁外呈指數(shù)衰減;

第四，和其他的彈性波一樣，在傳播方向遇到波阻抗差異界面時，管波也會發(fā)生反射。在鉆孔孔液和孔壁外一定范圍內(nèi)，發(fā)生反射的波阻抗界面有：①孔徑變化處；②液面處；③孔底；④孔壁波阻抗差異界面；

第五，實測資料表明，管波的探測范圍亦可以用管波的半波長確定，管波的探測范圍為以鉆孔中心為軸心，管波的半波長為半徑的圓柱狀區(qū)域。管波的傳播速度極為穩(wěn)定，可通過改變管波源的頻率來改變管波的探測范圍[10]。

因此，管波探測法的基本原理就是通過分析反射管波的波幅特征，探測波阻抗差異界面，通過對界面的解釋，推斷孔旁溶洞或軟弱巖層等不良地質(zhì)體的發(fā)育情況。管波探測法的原理示意圖如圖2所示。

圖2 管波探測法的原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of tube wave detecting method

2.3 孔旁巖土分層的管波異常特征

根據(jù)管波探測法的基本原理及多年實踐總結(jié)，孔旁巖土分層的管波異常特征，典型巖土名稱及工程性質(zhì)詳見表1。

表1 孔旁巖土分層的管波異常特征

3 工作流程與影響因素

3.1 工作流程

管波探測法的工作流程圖如圖3所示，其具體流程大致如下：

圖3 管波探測法的工作流程Fig.3 Workflow of tube wave detecting method

第一，根據(jù)樁基設(shè)計方案，按要求鉆探至完整基巖段設(shè)計深度；

第二，鉆探清孔，為孔內(nèi)管波探測提供測試條件。另外，在特殊的地層情況下，孔內(nèi)還必須放置PVC套管，以此保證管波設(shè)備的安全；

第三，根據(jù)鉆孔深度及地層的復(fù)雜度，使用管波儀進行一次或逐段多次測試，獲取管波探測時間剖面；

第四，對管波探測時間剖面進行物探解釋，判斷該鉆孔深度是否滿足端承樁持力層的要求；

第五，若鉆孔深度滿足要求，則判定該鉆孔可以終孔；否則，加深鉆孔，隨后返回第二步，再次進行管波探測，直至鉆孔深度滿足要求為止。

3.2 影響因素

通過大量的實測資料證明，管波探測法的影響因素主要有兩個，即套管和井液。

3.2.1 套管

當套管材質(zhì)為鋼管等硬質(zhì)材料時，由于鋼管的波阻抗與井液差異較大，使得鋼管具有屏蔽作用，削弱了巖土層波阻抗差異界面的反射管波能量。這是鋼套管造成管波異常特征不明顯的根本原因。圖4為一個鋼套管對管波測試的影響實例。從該圖中可以看出，該孔內(nèi)掉入了兩段鋼套管，使得鋼套管外地層被完全屏蔽。這種情況只能通過野外鉆探日志獲取套管的準確位置，進而再對管波探測時間剖面進行物探解釋。

圖4 鋼套管對管波探測的影響Fig.4 Influence of steel casing on tube wave detection

當套管材質(zhì)為PVC管等軟質(zhì)材料時，PVC管的波阻抗與井液相當，屏蔽作用很小。但會在管波時間剖面中附加上一條與直達波形態(tài)相似的振動干擾，該干擾振動能量強、頻率低、延續(xù)長度穩(wěn)定，在直達管波之后到達，到達時間約1.5 ms，且每道可見。

3.2.2 井液

當孔內(nèi)無井液時，該孔無法進行管波測試；當井液為清水或濃度較稀的泥漿時，井液對管波測試無任何影響；當井液為濃泥漿時，井液會導(dǎo)致直達管波和反射管波的能量顯著降低，在管波時間剖面上會出現(xiàn)明顯的同相軸彎曲現(xiàn)象。圖5為一個典型的井液對管波測試的影響實例。圖5(a)為第1天第1次管波測試的波形圖，圖5(b)為第5天第2次管波測試的波形圖，圖5(c)為第8天第3次管波測試的波形圖，圖5(d)為第13天第4次管波測試的波形圖。該孔通過13天的靜止時間后，測試數(shù)據(jù)質(zhì)量才滿足了管波資料解釋的基本要求。因此，終孔后鉆孔必須進行清孔處理。

圖5 井液對管波探測的影響Fig.5 Influence of well fluid on tube wave detection

4 應(yīng)用實例

4.1 工程背景

深圳市城市軌道交通16號線田心車輛段位于深圳市坪山新區(qū)蘭田路以南，金田路以北，規(guī)劃聚龍路以東的地塊內(nèi)，田頭河自南向北從地塊中間穿過。車輛段總占地面積34.28公頃，設(shè)計共4 000根樁，如圖6所示。根據(jù)站段關(guān)系，車輛段出入線由田頭站接軌，由運用庫、聯(lián)合檢修庫、綜合維修樓、綜合辦公樓、物資總庫、洗車庫、工程車庫等16個單體組成。金田路和聚龍路各設(shè)置一個出入口。田心車輛段聯(lián)合檢修庫首層層高13.8 m，上蓋預(yù)留開發(fā)條件，含上蓋開發(fā)建筑總高不大于50 m。

圖6 深圳市城市軌道交通16號線田心車輛段樁位平面Fig.6 Pile site plan of Tianxin rolling stock depot of Shenzhen urban rail transit line 16

該場地地貌單元劃屬山前沖洪積平原地貌，第四系覆蓋層主要以沖洪積成因的細砂、粉細砂、粉質(zhì)黏土等地層為主，下伏基巖主要包括石炭系下統(tǒng)測水組頁巖(全-強風化)、砂巖(全-中風化)，以及石炭系下統(tǒng)石蹬子組矽卡巖(全-微風化)、石灰?guī)r(微風化)。根據(jù)前期工程地質(zhì)勘察的結(jié)果，該場地灰?guī)r地層的巖溶較發(fā)育，鉆孔見洞率約33.3 %，工程地質(zhì)條件較差，極易導(dǎo)致地面建筑物沉陷、變形、破壞等。故本次施工勘察實行了“一樁一孔一物探”的基本原則，即每一樁基都有對應(yīng)的鉆探勘察孔和相應(yīng)的管波探測資料。

4.2 巖溶及基巖面實例分析

根據(jù)深圳市城市軌道交通16號線田心車輛段嵌巖樁的樁基設(shè)計方案，要求鉆探入巖后，樁端以下存在9 m完整微風化基巖。同時，要求采用管波探測法查明基巖面埋深，樁端持力層的標高，以及灰?guī)r地層的巖溶(溶洞或溶蝕)發(fā)育情況。下面根據(jù)幾個實例進行說明。

4.2.1 實例1

鉆孔LZJ28/S-1的巖芯照片及管波探測成果圖如圖7所示。在管波探測時間剖面上，可以明顯看出該剖面上存在4個管波波組，它們分別為PVC管的直達管波，灰?guī)r地層的直達管波，基巖面的向下反射管波，以及鉆孔孔底的向上反射管波。因此，根據(jù)管波資料可以判定，該鉆孔的基巖面標高為9.99 m，且以鉆孔中心為軸線，其半徑1.0 m范圍的地層區(qū)域內(nèi)無巖溶發(fā)育。結(jié)合該鉆孔對應(yīng)的樁基設(shè)計方案分析，該樁位的樁端持力層的標高為0.99 m。

圖7 LZJ28/S-1鉆孔的巖芯照片及管波探測成果Fig.7 Core photo of LZJ28/S-1 borehole and results of tube wave detection

4.2.2 實例2

在巖溶發(fā)育區(qū)，鉆探往往受到技術(shù)和人為因素的影響，其鉆孔的巖芯鑒定結(jié)果往往不夠準確。鉆孔LZJ19/R-1、LZJ19/R-2、LZJ21/R-1，以及LZJ21/R-2的管波探測成果圖如圖8～圖11所示。根據(jù)這4個孔的管波探測成果圖，得出以下結(jié)論：

圖8 LZJ19/R-1鉆孔管波探測成果Fig.8 Results of LZJ19/R-1 tube wave detection

圖9 LZJ19/R-2鉆孔管波探測成果Fig.9 Results of LZJ19/R-2 tube wave detection

圖10 LZJ21/R-1鉆孔管波探測成果Fig.10 Results of LZJ21/R-1 tube wave detection

圖11 LZJ21/R-2鉆孔管波探測成果Fig.11 Results of LZJ21/R-2 tube wave detection

第一，針對存在較大溶洞的地層，鉆孔資料揭示的溶洞底板標高與管波資料解釋的結(jié)果基本一致，而溶洞頂板標高往往差異較大。由于管波資料的解釋結(jié)果受主觀因素的影響很小，其解釋的溶洞頂板標高更加準確，如表2所示。

表2 各鉆孔樁端持力層上方的溶洞頂板和底板標高

第二，針對串珠狀溶洞的地層，管波資料的地質(zhì)分層結(jié)果更精細，對溶洞的數(shù)量和大小的判斷相對準確，這更有利于指導(dǎo)巖溶注漿的設(shè)計方案。例如，LZJ21/R-1鉆孔資料揭示該樁位存在3個 溶洞，而管波資料揭示該樁位存在6個溶洞。其中，厚度大于10 m的溶洞有1個，厚度大于2 m且小于10 m的溶洞有2個，厚度小于2 m的溶洞有3個。

4.2.3 實例3

根據(jù)管波探測結(jié)果，對深圳市城市軌道交通16號線田心車輛段聯(lián)合檢修庫局部區(qū)域的基巖面進行分析，以便對該場地的巖溶發(fā)育情況進行整體的評估和預(yù)測，這更有利于指導(dǎo)樁基設(shè)計方案的變更。圖12為聯(lián)合檢修庫局部區(qū)域的基巖面標高等值線圖。根據(jù)各樁位的管波資料分析的基巖面標高，采用Voxler軟件將該場地的基巖面標高制作成三維成果圖，如圖13所示。從成果圖可以明顯看出，深藍色的區(qū)域的基巖面較深，這種現(xiàn)象往往與該區(qū)域的巖溶發(fā)育程度有關(guān)。即巖溶越發(fā)育，基巖面起伏變化越劇烈。

圖12 基巖面標高的等值線Fig.12 Isoline map of bedrock surface elevation

圖13 基巖面標高的三維成果Fig.13 3D map of bedrock surface elevation

5 結(jié) 論

采用管波探測法確定端承樁樁基持力層，并根據(jù)深圳市城市軌道交通16號線田心車輛段樁基巖溶勘察的應(yīng)用效果，得出以下幾點結(jié)論：

1)根據(jù)管波探測時間剖面，可以快速確定基巖面標高，孔旁巖溶發(fā)育情況，以及端承樁樁基持力層；

2)在巖溶發(fā)育區(qū)，管波探測法的地質(zhì)分層比鉆探更精細，它對孔內(nèi)溶洞大小和數(shù)量的判斷相對準確，更有利于指導(dǎo)巖溶注漿的設(shè)計方案；

3)管波探測法可對場地巖溶發(fā)育情況進行整體的評估和預(yù)測，這有利于指導(dǎo)樁基設(shè)計方案的變更。